上油方式对碳纤维原丝质量及生产成本的影响

于 波，徐勤梅

(1.吉林化工学院，吉林132022;2.吉林化纤股份有限公司，吉林132022)

碳纤维原丝上油能够赋予纤维平滑性、抗静电性和集束性，还使原丝具有足够的耐高温性、分纤性和防融着性［1－3］。在碳纤维生产中，碳纤维丝束根数很多，上油均一度控制严格。通常碳纤维上油均一度控制在0.5% ～1.8%。含油过高，碳纤维原丝在碳化时容易产生过多的粉末，从而造成碳化炉中相关设备的堵塞，同时影响碳纤维的强度，达不到使用要求;而如果含油量过低，碳纤维原丝灰分高、纤维强度下降［4］，则使碳纤维原丝生产的可纺性降低，影响碳纤维原丝的产量，造成生产控制成本高。作者对碳纤维原丝上油设备及控制工艺进行改进优化，并分析了不同的上油控制方式对碳纤维原丝生产成本及质量的影响。

1 碳纤维原丝上油方式

1.1 油辊上油

1.1.1 油辊上油工艺

油辊上油控制系统是采用一个多孔的油辊，碳纤维原丝在油辊下方通过，油剂首先进入油辊内，再从油辊的孔中流出，这样碳纤维原丝经过油辊的时候油剂就附着在上面，没有附着在碳纤维原丝上的油剂流入油剂槽中，通过油剂循环泵对油剂进行循环，保持油剂的温度防止油剂变质。油剂槽内油剂量通过控制油剂加入计量泵进行控制，油辊的速度通过变频器控制，油剂量也会因为油辊的速度变化而变化。

1.1.2 油辊上油原丝质量

从表1可以看出，油辊的碳纤维原丝含油率上油较均匀，但碳纤维原丝的强度不匀率(CV值)影响产品质量，造成生产成本提高，这是由于:(1)上油辊不光滑导致碳纤维原丝缠辊现象严重，影响了碳纤维原丝的质量;(2)在生产开始时生头较困难，因为碳纤维原丝需要从油辊的底部通过，而底部还有油槽，降低了生头速度，浪费大量的原液，增加了生产成本;(3)缠辊后处理难度较大，影响高速运行时间，进而影响了生产，同时由于缠辊断丝，导致碳纤维原丝的强度降低;(4)由于油剂槽深度过深，油剂容易变质，增加原材料使用成本，进而增加碳纤维原丝的生产成本;(5)由于碳纤维原丝通过的油辊的光滑度要求很高，加工工艺很难，如果提高油辊的光滑度则加工成本过高，油辊不光滑会导致碳纤维原丝经过时会产生毛丝，而毛丝影响了碳纤维的强度，碳纤维质量受到影响。

表1 油辊上油工艺原丝质量Tab.1 Precursor quality using oil roller

1.2 油槽上油

1.2.1 油槽上油工艺

碳纤维原丝在油槽上行走，经过纺丝导辊进入烘干，经过油槽的碳纤维原丝完全浸在油槽里的油剂中，实现碳纤维原丝与油剂的充分接触，达到碳纤维原丝的均匀上油的目的。油槽的液位通过溢流的方式实现液位平衡，平衡液位以外的油剂进入到油槽下面的循环槽内，通过油剂泵对油剂进行循环，保持油剂的温度防止油剂变质，定期检验油剂槽中油剂的浓度，在油剂罐中配置生产需要的油剂的浓度，油槽中油剂的浓度通过循环泵不断调整，因为碳纤维原丝经过油槽时将油槽的浓度渐渐稀释，通过循环泵不断的循环保持油槽中油剂浓度的稳定。这种工艺控制方式只需一个油剂循环泵，不用变频控制，油剂浓度控制通过油剂和水量的配比控制即可，控制工艺简单，运行也比较稳定。

1.2.2 油槽上油原丝质量及生产成本

从表2可以看出:油槽上油不会导致缠辊，提高了碳纤维原丝质量，因为这种工艺不会产生刮丝，杜绝了毛丝的产生，另外，该上油方式减少了损耗，增加了产量，减少了生产成本。增加了油剂的用量，增加了原材料消耗成本，但综合成本降低了0.7%。但油剂成本在整个碳纤维原丝生产成本中占15%，为了进一步降低成本，需要减少上油过程中油剂的循环使用量。

表2 油槽上油原丝质量Tab.2 Precursor quality using oil groove

2 碳纤维原丝上油方式的改进方法

2.1 改进措施

对碳纤维原丝上油工艺进行改进优化试验。首先对设备进行精加工，以减少缠辊的现象，提高高速生产时间，减少因为缠辊降速对生产的影响，产量得到了提高;其次，减少生头时间，降低原液损耗率，需要改变油辊的位置，但是该措施需要油辊浸在油槽内，但油辊及油槽之间的距离很难有所改变;第三，防止油剂变质，减小油槽的深度，但油辊至少1/3以上要浸在油槽中，因此油剂的循环量还是没有多大的改变，成本指标还是很高，油剂成本仍占碳纤维原丝总生产成本的12.7%。

2.2 改进后的上油控制系统

通过优化试验，改进后的上油控制系统见图1。碳纤维原丝采用油槽上油后，经过导丝辊将上油后的碳纤维原丝导入纺丝线烘干系统，油槽的液位通过溢流保持平衡，通过实时检测回流循环油剂的浓度控制上油浓度，保证油剂均一稳定，同时通过循环泵循环油剂槽中的油剂，油剂配置主要通过油剂罐进行，增加油剂控制调节阀控制油剂的加入量，油剂加入量的多少根据回流循环管上的油剂浓度确定。

图1 油槽油剂罐上油控制系统Fig.1 Oiling control system of mixing tank for oil groove

3 碳纤维原丝上油方式改进效果

从表3可以看出，原丝含油量及相关化验指标并没有影响。

表3 上油槽油剂罐上油工艺原丝检验Tab.3 Precursor test using a mixing tank of oil groove

在没有改造油剂槽上油之前，油剂使用及循环量需要2.5 t，而通过增加油剂罐进行实时控制后，油剂使用循环量减少到1.3 t，由于是实时添加，取消了回流循环槽，同时补加油剂的量只是碳纤维原丝带走的油剂量，补加量大大减少，减少了油剂循环使用量，减少了油剂变质，这样达到降低上油控制在碳纤维原丝生产上的成本，改变上油工艺控制后，油剂成本降到了7.5%。

油剂循环使用量却只使用了原来的1/2，而且还降低了劳动强度，主要表现在:(1)每次停车或者油剂变质时不需要将循环槽内的油剂人工清除，浪费较小，减少了碳纤维原始生产成本及员工的劳动工作量。原来停车或油剂变质时需要两个人向10个大桶内盛装上油槽及油剂循环槽内的油剂，需要1～2 h清理干净;(2)不存在混合不均匀点，对油剂浓度的均匀性没有影响，提高了碳纤维原丝的生产质量;(3)能及时控制油剂的浓度，提高上油的均匀度，提高了碳纤维原丝的质量。

［1］ 袁玉红.聚丙烯腈基碳纤维原丝上油工艺研究［J］.石油化工技术经济，2013，29(5):39 －41.

［2］ 贺福.高性能碳纤维原丝与油剂［J］.高科技纤维与应用，2004，29(5):1 －5.

［3］ 欧阳琴，陈友汜，莫高明，等.聚丙烯腈原丝中黏连的形成与控制［J］.高科技纤维与应用，2011，36(2):21 －25.

［4］ 王学彩.PAN原丝生产中的断头原因分析［J］.高科技纤维与应用，2011，36(4):38 －39.